Supercondensadores en lugar de baterías: dispositivo, comparación de características, beneficios de uso, reseñas

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Última modificación: 2024-02-19 14:13

La idea de una alta capacitancia específica se exploró en la década de 1960, pero hoy en día hay una nueva ola de mayor interés en esta tecnología, debido a la combinación única de propiedades de rendimiento del producto final. Hoy, sobre la base de esta tecnología, se producen varias modificaciones de supercondensadores y ultracondensadores, que bien pueden considerarse como una batería de potencia completa. Los conceptos de supercapacitores que se muestran a continuación muestran que su futura competencia con los paquetes de baterías convencionales (baterías) no es tan fantástica.

¿Qué es un supercondensador?

En esencia, se trata de una batería electroquímica optimizada, fabricada en forma de condensador compacto. Incluso con una comparación superficial del dispositivo con un típicobatería para un automóvil, puede res altar la diferencia obvia en el tamaño y, en la práctica, los beneficios también saldrán a la superficie en forma de una mayor vida útil y potencia. En otras palabras, se pueden utilizar supercondensadores en lugar de baterías, aunque con algunas reservas debido a las limitaciones en términos de acumulación de energía potencial. Estos matices todavía se producen debido a la imperfección del desarrollo tecnológico de los ionistores; sin embargo, la situación está cambiando bajo la presión del mercado con sus crecientes necesidades de baterías.

Diseño y diseño de producto

La base de este capacitor está formada por dos electrodos, entre los cuales se coloca tradicionalmente el medio electrolítico. Las diferencias con la batería se pueden observar en la estructura de los materiales para la fabricación de electrodos, cuyas placas están recubiertas con carbón activado poroso. En cuanto al electrolito, se pueden usar mezclas orgánicas e inorgánicas en esta capacidad. Estructuralmente destaca también la solución técnica de aislamiento en la estructura de los supercondensadores. En lugar de placas de batería de aluminio con una capa dieléctrica, se utilizan componentes con propiedades óptimas de conductividad iónica y electrónica. Si continuamos con el concepto del posible uso de un supercondensador como batería, entonces el carbono poroso bien podría actuar como conductor electrónico, y una solución de ácido sulfúrico podría actuar como conductor iónico. De esta forma, se puede proporcionar una capa de separación de carga óptima entre los electrodos sin la inclusión adicional de aislantes voluminosos.

Variedades de supercapacitores

Ya hay varias direcciones en el desarrollo de ionistores. Los más destacados y prometedores son los siguientes tipos de dispositivos:

• Condensadores de doble capa. El modelo estándar, que utiliza los electrodos mencionados anteriormente hechos de material conductor de electricidad, y un separador especial se utiliza como electrolito. La acumulación de energía potencial se produce como resultado de la separación de carga en los electrodos.
• Pseudocondensadores. Una batería recargable fabricada con este tipo de supercondensador puede ser una solución muy acertada, ya que ofrece formas más avanzadas de almacenar energía. En primer lugar, se activa el principio del mecanismo de Faraday asociado a los procesos de acumulación de energía en baterías convencionales. Y en segundo lugar, también se conserva el esquema básico de interacción electrostática entre electrodos en una doble capa eléctrica.
• Condensadores híbridos. Un concepto intermedio que combina las características positivas individuales de baterías y condensadores. Dichos dispositivos suelen utilizar una combinación de electrodos hechos de óxidos mixtos y polímeros dopados. Un mayor desarrollo de esta dirección está asociado con el uso de materiales compuestos complementados con portadores de carbono y polímeros conductores.

Características principales

Hoy en día es difícil hablar de los indicadores de rendimiento bien establecidos de los ionistores, porquela tecnología se mejora constantemente y se ajusta para mejorar las fuentes de corriente electroquímica. Pero si tomamos los datos promedio sobre las características principales de los supercondensadores, los indicadores específicos se verán así:

• Tiempo de carga: de 1 a 10 segundos
• El número de ciclos de carga es de aproximadamente 1 millón, lo que corresponde a 30 000 horas.
• Tensión en la celda de bloque: rango de 2,3 a 2,75 V.
• Intensidad energética - valor estándar 5 Wh/kg.
• Potencia: alrededor de 10 000 W/kg.
• Durabilidad: hasta 15 años.
• Temperatura de funcionamiento -40 °C a 65 °C.

Comparación con baterías convencionales

Los principales parámetros distintivos son la tasa de acumulación de energía y el grado de retorno de la carga eléctrica. Debido al uso de una doble capa de potencial eléctrico cerca del supercondensador con dimensiones similares, aumenta el área de la superficie de trabajo de los electrodos. Es decir, podemos hablar de combinar las mejores propiedades de la batería y el capacitor como tal. Si comparamos la distribución de las corrientes de la batería y el supercondensador con la carga, entonces la uniformidad de los volúmenes de la corriente consumida será generalmente idéntica, pero con dos correcciones. Durante el funcionamiento de la batería, es posible desplazar la mayor corriente hacia el elemento ubicado en la parte inferior del bloque, y en el caso de los ionistores, en principio, el potencial será menor debido a la baja tensión. Además, las diferencias significativas incluyen la diferencia en el recurso de trabajo: los supercondensadores funcionan aproximadamente un 25-30% más en el tiempo, sin mencionarmayor tasa de ciclos de trabajo factibles.

Ventajas de operar supercondensadores

Si generalmente consideramos los efectos positivos del uso de supercondensadores en lugar de baterías, entonces se destacarán las siguientes cualidades:

• La alta densidad de energía de los supercondensadores permite su uso en dispositivos electrónicos como fuente de energía a corto plazo.
• Seguridad ambiental. Por supuesto, los componentes electroquímicos aún se conservan en el diseño, pero sus efectos tóxicos disminuyen constantemente.
• Posibilidad de utilizar energía procedente de fuentes renovables - eólica, solar, hídrica y terrestre.
• Expansión de oportunidades para la integración estructural de baterías, por ejemplo, para el mantenimiento de centrales eléctricas complejas, máquinas eléctricas híbridas, vehículos alimentados con hidrógeno, etc.

Cabe señalar algunas de las ventajas de un supercapacitor en relación a un capacitor convencional. Son pocos, pero una gran capacidad de almacenamiento de energía es fundamentalmente importante. De acuerdo con este indicador, no todas las modificaciones de los ionistores pueden competir con las baterías; sin embargo, en comparación con los condensadores en el parámetro de capacidad eléctrica, ganan con confianza.

Revisiones positivas de los supercondensadores

Las pruebas y aplicaciones parciales de supercondensadores hoy en día se llevan a cabo en una variedad de industrias. Como muestran las revisiones sobre el funcionamiento de estos dispositivos, confirman las declaraciones de los fabricantes sobre el altoconfiabilidad, seguridad ambiental y alta capacidad. Lo que es especialmente importante desde el punto de vista de la comparación de supercondensadores y baterías, los primeros no son tan exigentes como para crear condiciones especiales durante el manejo físico. Esto se debe en parte a la misma baja toxicidad de los componentes, pero en mayor medida, la ergonomía de funcionamiento se debe al alto grado de protección de la carcasa. Es decir, el usuario no necesita proporcionar dispositivos especiales para el mantenimiento de supercapacitores en condiciones selladas. El bajo peso y las dimensiones optimizadas también facilitan las operaciones de mantenimiento de rutina.

Revisiones negativas de los supercondensadores

También hay debilidades en este tipo de condensadores, que también se manifiestan claramente en la práctica. En particular, los usuarios señalan su baja densidad energética, bajo rendimiento y nivel de tensión no siempre suficiente, lo que hace necesario utilizar varios elementos para dar servicio a una unidad de consumo objetivo. En muchos sentidos, estas deficiencias impiden el uso de supercondensadores en lugar de baterías en la actualidad, aunque, una vez más, es más probable que el desarrollo tecnológico resuelva estos problemas.

Perspectivas para el desarrollo de condensadores

Según los expertos y desarrolladores de baterías, en un futuro próximo, los condensadores de nueva generación se utilizarán en todas partes. Esto será posible gracias al aumento activo de la capacidad específica de los dispositivos. Vale la penaagregar y mejorar las características técnicas y estructurales de los supercondensadores, lo que se refiere principalmente a las dimensiones y el peso. Al mismo tiempo, ya se están organizando pruebas de ionistores con una potencia de hasta 2,5 mW. En el futuro, dichos sistemas podrán utilizarse en el mantenimiento de redes de transporte, instalaciones industriales y complejos residenciales.

Conclusión

El concepto de supercondensador se considera la solución óptima en situaciones en las que existe una necesidad a corto plazo de fuente de alimentación con carga activa. En parte, esto es una contradicción con la idea de las baterías electroquímicas, que se centran en el mantenimiento a largo plazo de la energía con ciertos parámetros. Pero, ¿es posible usar un supercondensador en lugar de una batería en un automóvil, dada esta característica operativa? Con un alto grado de probabilidad, las empresas de automóviles avanzados utilizarán condensadores de alta capacidad, pero solo en versiones híbridas especiales que combinan las cualidades positivas de los supercondensadores como tales y los componentes electroquímicos tradicionales. Por ejemplo, hoy en día tales soluciones se utilizan en forma de una combinación de una estructura electroquímica de plomo-ácido y un supercondensador.